盧 薇

(湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068)

高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)用廣泛的經(jīng)典分離分析儀器，具有分析速度快、檢測(cè)靈敏度高、能夠進(jìn)行多組分的同時(shí)分析等特點(diǎn)。自上世紀(jì)60年代末問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展極其迅猛，在食品、環(huán)境、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中取得了廣泛的應(yīng)用[1]。HPLC技術(shù)不僅已成為相關(guān)行業(yè)技術(shù)人員的必備技能，在各高校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的儀器分析課程中也成為了重點(diǎn)教授的內(nèi)容之一。

1 HPLC培訓(xùn)課程中存在的問(wèn)題及原因

由于HPLC技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高校明顯提高了對(duì)該技術(shù)的重視程度，不斷優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，但也存在如下問(wèn)題：

1.1 HPLC人均臺(tái)數(shù)不足，無(wú)法滿足培訓(xùn)需求

由于HPLC造價(jià)昂貴，相對(duì)于高校教學(xué)而言，儀器設(shè)備人均臺(tái)數(shù)極為不足。在高校傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師分配了大部分學(xué)時(shí)于理論知識(shí)部分，僅少量學(xué)時(shí)用于實(shí)驗(yàn)課上，且實(shí)驗(yàn)課也常以是教師操作、學(xué)生觀摩的形式開(kāi)展，學(xué)生獨(dú)立上機(jī)實(shí)操機(jī)會(huì)極少[2]，考核也常才去書(shū)面閉卷形式，難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的和要求。

1.2 基于成本或安全隱患等原因，HPLC不適宜完全開(kāi)放式培訓(xùn)

HPLC不僅購(gòu)置成本高，相應(yīng)的使用成本和維護(hù)成本也較高，且實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，不適宜面對(duì)經(jīng)驗(yàn)欠缺的學(xué)生進(jìn)行人機(jī)一對(duì)一完全開(kāi)放式教學(xué)，否則極可能影響儀器的性能。HPLC使用過(guò)程中常涉及強(qiáng)酸、強(qiáng)揮發(fā)性有機(jī)物等危險(xiǎn)品，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，管理一旦出現(xiàn)疏漏，極可能會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題[3]。

1.3 傳統(tǒng)HPLC培訓(xùn)教學(xué)中不夠重視大型儀器設(shè)備的維修和維護(hù)

高校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)極少涉及HPLC維修、維護(hù)部分，而學(xué)生在實(shí)際使用過(guò)程中，許多HPLC已進(jìn)入故障頻發(fā)期，若不進(jìn)行相關(guān)維修知識(shí)的培訓(xùn)，會(huì)嚴(yán)重影響工作進(jìn)程。HPLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)，合理的日常維護(hù)能顯著提升其使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命[4]。因此，故障維修、保養(yǎng)維護(hù)的知識(shí)也應(yīng)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的HPLC培訓(xùn)課程的功能特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)又稱(chēng)VR技術(shù)，是指綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)以及各種顯示和控制等接口設(shè)備生成一種虛擬環(huán)境，用戶(hù)能夠“進(jìn)入”這個(gè)虛擬的環(huán)境中，并與環(huán)境直接進(jìn)行具有真實(shí)感的基于自然技能的交互技術(shù)。沉浸性、想象性和交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個(gè)最突出的特點(diǎn)[5]，基于此，用戶(hù)可沉浸于虛擬環(huán)境中獲取新的知識(shí)，提高感性和理性認(rèn)識(shí)，產(chǎn)生新的構(gòu)思。

VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、VR技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)等實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[6]。普通意義上的VR，需要大型計(jì)算機(jī)、頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、洞穴式投影、密封倉(cāng)等昂貴設(shè)備,一般的教學(xué)單位難以承受，但由于HPLC的培訓(xùn)課程更側(cè)重于清晰明確地展示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)原理、完整流程、維修維護(hù)等相關(guān)知識(shí)，并不需要完全的沉浸感，故技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低廉、應(yīng)用廣泛的桌面型VR更適用于實(shí)際教學(xué)。桌面VR利用計(jì)算機(jī)和工作站進(jìn)行仿真,用戶(hù)將計(jì)算機(jī)的屏幕作為觀察虛擬境界的窗口,通過(guò)鼠標(biāo)、追蹤球、力矩球等各種輸入設(shè)備與虛擬現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互[7]。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的HPLC培訓(xùn)課程通過(guò)VR技術(shù)把HPLC的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作、維修維護(hù)、培訓(xùn)考核等內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合在一起，突破了時(shí)間、空間的制約，克服了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的局限性，降低了實(shí)驗(yàn)成本與風(fēng)險(xiǎn)，大幅提高培訓(xùn)者自主學(xué)習(xí)的能力，進(jìn)一步加深其對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法的理解和掌握，熟悉實(shí)驗(yàn)操作、維修維護(hù)的技能。

3 基于VR技術(shù)的HPLC培訓(xùn)課程的建設(shè)

基于VR技術(shù)的HPLC培訓(xùn)課程可采用模塊化的設(shè)計(jì)理念包括基礎(chǔ)模塊、虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K和實(shí)驗(yàn)拓展模塊[8]。三個(gè)模塊擔(dān)負(fù)各自功能并有機(jī)結(jié)合，為學(xué)生實(shí)際使用HPLC打下良好基礎(chǔ)。

3.1 基礎(chǔ)模塊

基礎(chǔ)模塊包括HPLC技術(shù)原理、儀器結(jié)構(gòu)與功能、工作站使用手冊(cè)等系列資料。HPLC的構(gòu)造主要包括進(jìn)樣系統(tǒng)、檢測(cè)器系統(tǒng)、高壓輸液系統(tǒng)及色譜柱系統(tǒng)，其原理是以液體為流動(dòng)相，采用高壓輸液系統(tǒng)，將具有不同極性的單一溶劑或不同比例的混合溶劑、緩沖液等流動(dòng)相泵入裝有固定相的色譜柱，在柱內(nèi)各成分被分離后，進(jìn)入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的分析，最終在工作站內(nèi)處理數(shù)據(jù)并出示報(bào)告?；A(chǔ)模塊中詳細(xì)介紹了HPLC的整體構(gòu)造、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作的使用，該模塊以演示為主，對(duì)交互性要求不高。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K

虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)考核和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。該模塊首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)和實(shí)驗(yàn)演示，讓學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)的原理、目的、操作步驟、數(shù)據(jù)處理等有清晰的認(rèn)識(shí)，然后針對(duì)重點(diǎn)操作，從有提示的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練逐步過(guò)渡到無(wú)提示的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，以加深認(rèn)識(shí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)考核模塊，該模塊包括HPLC開(kāi)機(jī)、系統(tǒng)平衡、樣品前處理、檢測(cè)條件設(shè)置、手動(dòng)進(jìn)樣、數(shù)據(jù)分析。其中，樣品前處理部分和手動(dòng)進(jìn)樣部分較為復(fù)雜，前處理部分包含樣品的萃取、濃縮、離心、抽濾等復(fù)雜操作，手動(dòng)進(jìn)樣部分包含膜過(guò)濾、進(jìn)樣針潤(rùn)洗、六通閥手動(dòng)進(jìn)樣和沖洗等儀器操作，涉及多種實(shí)驗(yàn)用具和器皿的選擇、組建和使用，因此在該部分應(yīng)設(shè)計(jì)更多的交互，學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖動(dòng)二維幀等方式進(jìn)行相應(yīng)虛擬操作，前處理的虛擬操作界面如圖1所示。

圖1 高效液相色譜樣品前處理虛擬操作界面Fig.1 The VR interface of the pre-treatment of HPLC sample

操作結(jié)束后，學(xué)生需對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析?？己素灤┱麄€(gè)操作過(guò)程，對(duì)錯(cuò)誤操作給出警告，并按照錯(cuò)誤的嚴(yán)重程度扣分，數(shù)據(jù)分析完成后進(jìn)行分?jǐn)?shù)匯總，對(duì)于合格實(shí)驗(yàn)者，按其實(shí)驗(yàn)結(jié)果出具報(bào)告。

3.3 實(shí)驗(yàn)拓展模塊

實(shí)驗(yàn)拓展模塊由拓展資料組成，包括HPLC的維修、維護(hù)和前沿技術(shù)介紹，其中HPLC的維修和維護(hù)是該模塊的重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)基線漂移、色譜峰峰形拖尾或前展等情況，就要對(duì)儀器進(jìn)行問(wèn)題診斷、排查和維修，可從儀器沖洗、色譜柱進(jìn)氣處理、排氣閥過(guò)濾白頭更換等方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)流程化的演示[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

基于VR技術(shù)的HPLC培訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的升級(jí)，能顯著提高教學(xué)效率，降低教學(xué)成本，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，是儀器分析學(xué)科的有益探索與嘗試。隨著VR的技術(shù)的成熟，HPLC的培訓(xùn)課程也將不斷成熟與完善，進(jìn)入沉浸度、交互性更高的新階段，為學(xué)生的實(shí)際上機(jī)操作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。